автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Создание информационно-методического обеспечения для системного проектирования статических преобразователей частоты в составе машинно-электронных генерирующих систем для малой энергетики и автономных объектов

На правах рукописи

ПЬЮ МЬИНТ ТХЕЙН

СОЗДАНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ СИСТЕМНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТАТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ В СОСТАВЕ МАШИННО-ЭЛЕКТРОННЫХ ГЕНЕРИРУЮЩИХ СИСТЕМ ДЛЯ МАЛОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И АВТОНОМНЫХ ОБЪЕКТОВ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

б июн гт

005060815

Москва 2013

005060815

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» на кафедре «Электротехнические комплексы автономных объектов - ЭКАО»

Научный руководитель: МЫЦЫК Геннадий Сергеевич, доктор технических наук, профессор кафедры ЭКАО НИУ «МЭИ».

Официальные оппоненты: ШЕВЦОВ Даниил Андреевич, доктор технических наук, профессор кафедры 306 «Микроэлектронные электросистемы» Московского авиационного института (Национального исследовательского университета «МАИ»),

ВОЙТОВИЧ Игорь Александрович, кандидат технических наук, главный специалист ОАО «Концерн «Авиационное оборудование».

Ведущая организация: ОАО «Аэроэлектромаш».

Защита состоится «28» июня 2013 г. в 14 часов 00 мин. В аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д.212.157.02 Национального исследовательского университета «МЭИ» по адресу: Москва, Красноказарменная ул., дом 13.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направить по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., дом 14, Ученый Совет НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского университета «МЭИ».

Автореферат разослан «25» мая 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02 ^-гп/ А-

к. т. н., доцент /' Ч С.А. Цырук

!

I

Общая характеристика работы

Технический прогресс характеризуется периодической сменой поколений техники. Данное развитие определяется тем, что системы, устройства и составляющие их компоненты постоянно совершенствуются, а их жизненный цикл в силу этого неуклонно сокращается. Этот процесс сегодня особенно заметен, в частности, в сферах радиосвязи и телекоммуникаций, а также в областях информационной и силовой электроники. Наряду с этим совершенствуются методы проектирования и используемые для этого средства. Среди последних особенно следует выделить используемые сегодня современные компьютерные возможности, которые позволяют эффективно (оперативно и с высокой точностью) решать проектные задачи на основе имитационного компьютерного моделирования (ИКМ) рабочих процессов в проектируемых объектах. По мере возрастания сложности разрабатываемой системы возрастают и сложности ее проектирования. Даже в самом благоприятном случае, когда известны модельное описание, свойства и характеристики составляющих систему узлов (звеньев), нельзя гарантировать получение наилучшего результата ее проектирования (по заданной совокупности показателей качества) без системного к нему подхода. Системность проектирования предполагает учет взаимного влияния свойств и характеристик звеньев системы друг на друга с целью получения наилучших ее показателей качества.

Актуальность проблемы. Настоящая работа посвящена исследованию возможностей совершенствования узлов машинно-электронных генерирующих систем (МЭГС) автономных объектов (АО) малой мощности (до сотен кВА) в направлении энерго-и ресурсосбережения и улучшения электромагнитной совместимости ее узлов, а также решению комплекса задач по созданию информационно-методического обеспечения для системного их проектирования по заданной совокупности показателей качества. Отсутствие сегодня в должном объеме проектно необходимой информации сдерживает разработку и широкое практическое освоение таких систем. Поэтому исследования, направленные на решение этой проблемы, представляется актуальным.

Цель работы. Объектом исследования являются МЭГС, по сути, двух типов. Наличие в МЭГС электрического генератора (ЭГ) с переменной частотой вращения вала и выпрямительного, а также трансформаторно-или ав-тотрансформаторно-вырямительного устройства (ТВУ или АТВУ) характеризует ее как МЭГС-1. Эта система может применяться как самостоятельно, так и в составе МЭГС-2, которая характеризуется наличием в ней еще двух силовых звеньев - трехфазного инвертора с широтно-импульсной его модуляцией (ШИМ) его напряжения (ТИН) и выходного фильтра. Основное содержание работы направлено на исследование возможностей совершенствования МЭГС-2 и создание информационно-методического обеспечения для структурно-параметрической оптимизации системы по заданной совокупности показателей качества.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач ис-

пользованы: общие положения теории электрических цепей, математический аппарат рядов Фурье, разделы дифференциального и интегрального исчисления, концепция многоканального преобразования энергетического потока, ИКМ в среде OrCAD 16.5 (Рspice Schematics), MathCAD и MatLAB, методы технического творчества.

Достоверность научных результатов. Самоконтроль результатов исследования по критерию достоверности осуществлялся поэтапно - путем проверки на соответствие (путем ИКМ) проектному замыслу каждого узла исследуемой системы с последующим контролем функциональной характеристики всей системы. Показано, что полученные аналитическим путем и на основе ИКМ результаты удовлетворяют критерию физической непротиворечивости и полностью согласуются с известными частичными результатами, ранее полученными исследователями большей частью на качественном уровне. В качестве средств самоконтроля использовался также метод энергетического баланса.

Научная новизна работы.

1. Предложена классификация типов машинно-электронных генерирующих систем (МЭГС), применяемых на автономных объектах. Сформулированы общие для рассматриваемых типов МЭГС проблемы, которые необходимо решать при их системном проектировании.

2. На основе ИКМ исследованы новые возможности совершенствования вентильных генерирующих систем - МЭГС 1-го типа (МЭГС-1) с использованием АТВУ с пулъсностью т1Э выпрямленного напряжения - АТВУ-от1Э. Определена габаритная мощность АТВУ-18, необходимая для сопоставительной оценки альтернативных вариантов.

3. Создано информационно-методическое обеспечение для обоснованного выбора при проектировании структурно-алгоритмической организации ТИНсШИМ:

3.1. Предложено решение, обеспечивающее нечувствительность ТИН к несимметричной нагрузке, что расширяет область применения, делая возможным использование его в авиационной электротехнике;

3.2. Для ТИН с многоканальным преобразованием (МКП) представлены результаты исследования свойств спектров выходного напряжения с основными модификациями ШИМ, которые является исходными данными для проектирования фильтров;

3.3. На основе полученных результатов ИКМ разработаны рекомендации по проектированию компонентов и обеспечению требуемых показателей ТИН.

4. Разработана уточненная системно-ориентированная методика проектирования Г-образного LC фильтра переменного тока, заключающаяся, в частности, в учете его волновой проводимости:

4.1. Показана ее применимость для различных спектров выходного напряжения ТИН (для низкочастотных и высокочастотных спектров);

4.2. Разработана методика автоматизированного расчета Г-образного LC фильтра, и на основе ИКМ применительно к ТИН с МКП (с выходным

i I

фильтром) при принятых допущениях подтверждена ее высокая адекватность (с точностью не хуже 2%) в заданных режимах работы;

4.3. На основе исследования динамических свойств Г-образного £С фильтра сформулированы требования к алгоритмам пуска и отключения ТИН.

5. Представлены результаты исследования МЭГС-2 - «Переменная скорость - постоянная частота (ПСПЧ)», выполненной в виде последовательно соединенных звеньев: электрический генератор — ЭГ с переменной частотой вращения вала и статический преобразователь частоты со звеном постоянного тока - ПЧЕГГ (в виде АТВУ-18 и ТИН с ШИМ и с выходным фильтром):

5.1. Показано, что при одинаковых уровнях напряжений ЭГ и на выходе системы ПСПЧ необходимо обеспечить повышение напряжения на ее входе на 30% (например, с помощью АТВУ-18);

5.2. На основе моделирования системы ПСПЧ и исследования основных режимов ее работы сформулированы рекомендации по ее системному проектированию.

Практическая значимость работы.

На основе исследования (путем ИКМ) возможностей совершенствования МЭГС-1 и МЭГС-2 создано информационно-методическое обеспечение, необходимое для системного их проектирования, которое создает предпосылки для обоснованного проектирования и расширения области практического их освоения.

На защиту выносятся:

1. Особенности системного подхода к структурно-алгоритмическому и параметрическому синтезу машинно-электронных генерирующих систем двух типов - МЭГС-1 и МЭГС-2.

2. Результаты синтеза и исследования (на основе ИКМ) ТВУ и АТВУ с пульсностью выпрямленного напряжения /и]Э=12 и /И1Э=18 (соответственно -ТВУ-12 и АТВУ-18), которые в соответствующих применениях могут быть составными звеньями МЭГС-1 и МЭГС-2.

3. Результаты исследования ТИН с МКП и с суммированием выходных токов каналов с помощью трансфильтров (ТФ) с использованием компьютерных возможностей для решения проектных задач.

4. Системно-ориентированная и усовершенствованная методика проектирования Г-образных ЬС фильтров переменного и постоянного тока (с учетом их волновой проводимости Л = 4сТ1).

5. Разработанная программа автоматизированного расчета Г-образных 1С фильтров переменного и постоянного тока (по усовершенствованной методике), а также результаты расчета и исследования на ее основе прохождения через эти фильтры новых и наиболее часто используемых на практике низкочастотных и высокочастотных спектров напряжений с различными модификациями ШИМ.

6. Разработанная имитационная компьютерная модель машинно-электронной генерирующей системы второго типа - МЭГС-2 (система ПСПЧ в виде идеализированного генератора и преобразователя частоты со звеном

постоянного тока, ориентированная на применение ее в авиационной электротехнике) и полученные на основе этой модели результаты.

Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось: На Х1Х-Й (2012г.) и ХХ-й (2013г.) международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов; на 3-х н/т-х семинарах кафедры «Электротехнические комплексы автономных объектов - ЭКАО» МЭИ.

Публикация. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ (среди них один патент на полезную модель и две статьи в рецензируемых изданиях).

Личный вклад.

1. Систематизированы типы машинно-электронных систем и на наиболее сложном ее варианте - МЭГС-2 предложен общий подход к ее исследованию и проектированию с использованием средств ИКМ.

2. На основе ИКМ исследованы вопросы синтеза ТВУ-тя1Э и АТВУ-ти1Э с пульсностью выпрямленного напряжения тхэ=\2 и те1Э=18 соответственно и даны рекомендации по их проектированию.

3. На основе ИКМ исследованы свойства ТИН с различными структурами и алгоритмами управления, в том числе в вариантах с ШИМ и с многоканальным преобразованием, и даны рекомендации по их проектированию.

4. Предложена системно-ориентированная уточненная методика расчета параметров Г образного 1С фильтра, учитывающая волновую его проводимость и разработана программа автоматизированного их расчета.

5. Разработана имитационная компьютерная модель одного варианта МЭГС-2 - «ПСПЧ» и на ее основе проведены исследования, позволившие синтезировать решение, удовлетворяющее требованиям авиационного применения и сформулировать рекомендации по ее системному проектированию.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из 5 глав, заключения, библиографии из 68 наименований и приложений и изложена на 237 страницах, включая 163 рисунок и 32 таблицы.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель и решаемые в диссертации задачи.

В первой главе рассматриваются основные виды наиболее часто применяемых на АО МЭГС, отмечаются их недостатки и возможные направления их совершенствования, а также формулируются задачи, подлежащие исследованию и решению. В качестве МЭГС рассматриваются в основном системы двух типов:

- система «вентильный генератор» (ВГ) - МЭГС-1 в виде последовательно включенных синхронного генератора (СГ) и выпрямительного устройства (или ТВУ и АТВУ) с пульсностью выпрямленного напряжения т1Э=12; 18 (рис. 1а);

- система «ПСПЧ» - МЭГС-2 в виде последовательно включенных ВГ и ПЧПТ, выполненного в виде последовательно включенных выпрямительного

устройства со сглаживающим фильтром и ТИН с выходным фильтром - рис. 16, в).

Вторая глава посвящена исследованию современных решений ТВ У и АТВУ с пульсностью выпрямленного напряжения т\э, ориентированных на применение их на подвижных объектах. При использовании в качестве первичного источника генератора с трехфазным стабилизированным напряжением 115/200 В и при использовании в 1141II ТИН по мостовой схеме с таким же значением напряжения (115/200 В), необходимо применение дополнительного устройства для повышения исходного напряжения генератора примерно на 30%.

С учетом того, что в структуре ПЧПТ должно использоваться выпрямительное звено, функции выпрямления напряжения и требуемого его повышения (на 30%) целесообразно совместить в одном устройстве. В качестве такого устройства может быть использовано или ТВУ-?И1э, или АТВУ-/и1э.

В качестве первого шага исследования (на основе ИКМ) взята достаточно из-

а) Вентильный генератор -МЭГС-1 (1-го типа) ПЧПТ

\f2-C0nSt

б) 1-ый вариант системы ПСПЧ - МЭГС-2А ПЧПТ

/] = COnSt и2= СОШ

в) 2-ой вариант системы ПСПЧ -

■ МЭГС-2В СПЧ

/2 ~ СО

V2= сотг

г) Система ПСПЧ на базе САГ - МЭГС-3 (3-го типа) Рис. 1. Типы машино-электронных систем (МЭГС).

вестная традиционная схема ТВУ-12 (рис. 2). Целью исследования являлось определение габаритной мощности трансформатора (ТУ) и определение КПД выпрямительного звена. Результаты исследования показали, что токи во вторичных обмотках трансформатора 1-го и 2-го каналов имеют разрывный характер. Это означает, во-первых, что использование обмоток невысокое, а,

во-вторых, что выпрямительные мосты работают попеременно. Габаритная мощность 7У ТВУ-12 1,23Рм.

Далее рассматривается новая структурная модификация ТВУ-12 (на рис. 3) - двухтрансформаторный вариант 12-пульсного вьшрямителя (2ТВУ-12), которая является дальнейшим развитием традиционного ТВУ-12 (рис. 2). Показано, что габаритная мощность 2Т2ТВУ-12 - Б-ру =1,036РЛ. Таким образом, новая структура 2ТВУ-12 по рис.3 более эффективна по сравнению с традиционной структурой по рис. 2.

В тех случаях, когда не требуется гальваническая развязка входной цепи от выходной, вместо трансформаторного узла может быть применен автотрансформаторный узел. В этом случае ТВУ- /ню превращается в АТВУ- т\э. Переход от ТВУ к АТВУ обеспечивает значительное улучшение массогабаритных показателей за счет снижения габаритной мощности трансформаторного узла. Многообразие вариантов АТВУ определяются следующими факторами: 1) базовой схемой соединения обмоток - «звезда» или «треугольник»; 2) симметричным или не симметричным способом формирования фазной системы напряжений; 3) числом используемых трехфазных магнитопроводов и 4) еще некоторыми факторами конструктивно-технологического свойства. Анализ проблемы синтеза АТВУ показывает, что наиболее рациональное его решение из числа альтернативных вариантов может быть определено лишь по критерию его минимальной габаритной мощности автотрансформатора (АТУ) (то есть на основе расчета его габаритной мощности), что требует знания действующих значений напряжений на всех обмотках и протекающих через них токов. Последняя задача не является простой и особенно в варианте, когда используется общий для всех каналов магнитопровод. Под канальностью преобразования Ь понимается число используемых в АТВУ трехфазных мостовых выпрямителей: при ?Я1э=12 Ь=2, при Ш1э =18 ¿=3, при т 1э=24 Ь=4. Таким образом, параметр Ь с параметром связан следующим образом: Ь =т1Э/6.

В работе рассматривается известная схема АТВУ-18УС (по патенту США). Буквой «У» здесь обозначается базовая схема соединения обмоток - «звезда», буквой «С» - симметричная в данном случае 9-и фазная система напряжений. На рис. 4 показана векторная диаграмма симметричной

Рис. 2. Трехфазное ТВУ с двухканальным преобразующим трактом - ТВУ-12 на базе одного трансформатора.

т1 ТП И?1

Рис. 3. Двухтрансформаторный вариант 12-пульсного вьшрямителя - 2ТВУ-12 с суммированием напряжений на первичной стороне и суммированием токов в выходной цепи.

Рис.

Векторная диаграмма АТВУ-18УС

9-и фазной системы напряжений, у которой векторы напряжений сдвинуты последовательно относительно друг друга на угол 2я/9. Задачей исследования является определение габаритной мощности автотрансформаторного узла. Для решения задачи использовано ИКМ. Габаритная мощность АГВУ-18УС оказалась равной -"5атву-18= 0,58Р^О-

Основной недостаток этого решения заключается в завышенной габаритной мощностей АТУ. В предложенном в работе решении этот недостаток снижен за счет введения в цепь постоянного тока АТВУ-18УС двух 3-х обмоточных трансфильтров (ТФ). В результате этого габаритная мощность АТВУ-18УС+ТФ стала меньше: 5атву-18+то = 0,428РЛ. Сопоставление двух вариантов показало, что АТВУ-18УС+ТФ по сравнению с АТВУ-18УС (без ТФ) характеризуется: а) уменьшенной в (0,58/0,428=) 1,355 раза габаритной мощностью АТУ; и б) - уменьшенным в (10,448/5,1195=) 2,014 раза действующим значением тока через диоды выпрямительного звена, что позволяет существенно уменьшить массу охладителей, на которых они устанавливаются. Введение в структуру АТВУ-18УС двух трехфазных ТФ приводит к существенному видоизменению режима работы устройства (в сторону большей энергетической эффективности) и к изменению количественной взаимосвязи между входными и выходными напряжениями АТУ, что необходимо учитывать при проектировании.

В двух выше рассмотренных решениях АТВУ-18 в качестве исходной системы использовалась 9-и фазная симметричная система напряжения. Возможен другой вариант, когда используется несимметричная 9-и фазная система (рис. 5). Проведенное ИКМ показало, что получить здесь 18-пульсное напряжение без использования ТФ невозможно. Поскольку данная топология АТУ обеспечивает получение только трех самых больших векторов напряжений - А2В3, В2С3 и С2А3, то в результате их двухполупериодного выпрямления на выходе выпрямительного звена вместо 18-пульсного формируются 6-пульсное выпрямленное напряжение.

Если в схеме АТВУ ввести два ТФ в цепи постоянного тока, то режим 18-пульсного выпрямления реализуется. Однако, без соответствующей коррекции коэффициентов трансформации АТУ такая модификация устройства обеспечивает значение постоянной со-

Рис. 5. Векторная диаграмма АТВУ-18 УНС|+2хЗТФ

ставляющей выпрямленного напряжения {/¿о = 266,2 В вместо требуемого значения им = 270 В. Исследуемая модификация обозначается нами как АТ-ВУ-18УНС|+2хЗТФ. Символом «У» обозначено соединение базовой трехфазной обмотки по схеме «звезда», использование несимметричной системы напряжений - буквами «НС», а символом «Т» - функция повышения уровня выпрямленного напряжения (т.е. коррекции коэффициентов трансформации в сторону их повышения). Исследование показало, что габаритная мощность АТВУ-18 УНС|+2хЗТФ - 5атву-18 = 0,283Рл. Итак, использование несимметричной системы напряжений вместо симметричной приводит к уменьшению габаритной мощности относительно варианта АТВУ-18 УС+2хЗ ТФ в 0,428/0,283 =1,512 раза. Таким образом, показано, что существенно снизить габаритную мощность АТУ можно двумя способами: а) введением в цепь постоянного тока АТВУ-тихэ ТФ; и б) использованием несимметричных гп\ фазных систем напряжений (т\ - нечетное число). В работе для сопоставительной оценки вариантов решений и для создания информационно-методического базиса для системного проектирования на основе ИКМ определена:

- габаритная мощность электромагнитных узлов (трансформаторов, автотрансформаторов и трансфильтров);

- показатели качества потребляемых этими устройствами токов;

- установленная мощность диодов выпрямительных устройств.

В третьей главе рассмотрены вопросы структурно-алгоритмического синтеза и анализа альтернативных вариантов преобразователей постоянного напряжения в переменное - инверторов с многоканальным преобразующим трактом, с ШИМ напряжения по синусоидальному закону и с выходным Г-образным ЬС фильтром. Сформированы ИК-модели ТИН 2-х канального типа - 2ТУ-ФК-ТИН (рис. 6) при 2-х вариантах алгоритмов переключения ключей в каналах: а) - с я алгоритмом; б) - с алгоритмом двухполярной ШИМ (ДШИМ) при 4-х значениях фазового сдвига у между развертывающими сигналами каналов, и на их основе для каждого варианта с помощью ИКМ определены параметры Г-образного ЬС фильтра. Результаты исследования показали, что все 4 модификации алгоритма ДШИМ в каналах по сравнению с зг алгоритмом обеспечивают уменьшение массы фильтра не менее, чем в 4 раза, причем из 4-х найден наилучший алгоритм, обеспечивающий указанное превосходство по массе в 4,37 раза.

В работе осуществлена проверка известного модельного описания сигналов с ДШИМ и однополярной ШИМ (ОШИМ) на адекватность (как в одно-канальном, так и в многоканальном вариантах). Сигнал с ОШИМ описывает-

4

I

ТИН1

СУ1

=П

ч7.

ж/6

СУ2

Ч Е„

ТУ1 \У' 1 7у1 2

№

ТУ 2

Ж,"

•А ■В •С

Рис. 6. Структурная схема силовой части ТИН с двухканальным преобразующим трактом.

ся следующей моделью, представляющей собой частный случай известной более общей модели для любого числа каналов преобразования энергетического потока - L:

S(')=«i(0 + E ¿("О* ■Bt(2„-1) • sin[i■ m(t-top)+{2n- 1)Q(t-toy)], (1) *=1 /»=—00

где: «](?) = A-Um ■sin(i2-(i-f0J,)) - полезная составляющая ОШИМ сигнала, Un - максимальное его значение; - коэффициент Фурье:

¿(г*- • iu-k) - функция Бесселя 1-го рода (2и—1) порядка, причем при отрицательных (целочисленных) значениях числа п берется порядок (2и+1), а при положительных п - порядок (2и-1); £ = - кратность тактовой (несущей) и

выходной частот; = = - глубина модуляции (параметр регулирова-

У рт

ния уровня выходного сигнала, a U3m и Upm - амплитуды синусоидального задающего и треугольной формы развертывающего напряжений); cot0,p и Qt0.y-начальные фазные углы развертывающего (треугольной формы) и управляющего (синусоидальной формы) сигналов. На основе ИКМ проведена проверка (в среде MatLAB) известного модельного описания (МО) сигнала, как в частном варианте (1), так и в известном общем варианте с многофазной од-нополярной ШИМ (МОШИМ), т.е. при L канальной структурно-алгоритмической организации ТИН. Полученные при L - 1; 2; 3 осциллограммы МО (1) в полной мере (адекватно) отражают проектный замысел, так что оно может быть уверенно использовано при анализе и проектировании.

Для проверки МО (1) в работе аналогичные результаты (при L = 1; 2; 3) получены и при моделировании ¿ТИН-ОШИМ+ХТФ (при наличии нулевого провода) по другой технологии - на аппаратном уровне (обозначенном нами как ИКМ 1-го типа) с использованием программного обеспечения OrCAD 16.5 (Schematics). Хорошее совпадение параметров «кустов» гармоник при двух способах (направлениях) моделирования сигнала (напряжения) с ОШИМ, а также хорошее совпадение форм этого сигнала, полученных двумя способами, дополнительно свидетельствует об адекватности модели.

МО напряжения с ДНТИМ известно только для одноканального ТИН, причем лишь в варианте его с нулевым проводом (между нагрузкой и средней точкой источника питания). Для этого варианта на основе ИКМ (в среде MatLAB) подтверждена адекватность этого известного МО. Расчет этих моделей в среде MatLAB с учетом дискретных переменных (+и, -и, к) даже с не очень высокой точностью (до значений к= 25, +п=+25, -п= -25) при L= 1 показал достаточно высокую их адекватность. Время вычислений при этом достаточно большое (не менее 10 минут). С увеличением, как точности вычислений, так и канальности L время расчета увеличивается. Требуемое достаточно большое время расчета МО сигналов является их недостатком.

Наряду с этим в работе предложен упрощенный способ моделирования сигналов с МОШИМ и с многофазной ДТТТИМ (МДШИМ) в среде MatLAB, обозначенный в работе как способ моделирования на сигнальном уровне (ИКМ 2-го типа), что позволило, в частности, получить визуальное представление о спектрах напряжения с МДШИМ при ¿>1 и провести их исследование. Полученные результаты предназначены для использования их при проектировании выходных фильтров инверторов типа ¿ТИН-ДШИМ и ХТИН-ДШИМ+ХТФ.

На аппаратном уровне (в среде OrCAD 16.5 Schematics) сформированы имитационные компьютерные модели (ИК-модели) ¿.ТИН-Д111ИМ+£ТФ при L = 1; 2; 3 (рис. 7 при L=2). Полученные результаты ИКМ показали, что:

- с ростом тактовой частоты установленная мощность фильтра уменьшается, но динамические потери в ключевых элементах (КЭ) возрастают, а, следовательно, возрастает и масса охладителей;

- с ростом тактовой частоты (и с уменьшением мощности фильтра) в динамике перенапряжение AUна конденсаторе фильтра уменьшается;

- с увеличением канальности L амплитуда ближайшей высшей гармоники при одном и том же значении тактовой частоты -fT уменьшается;

- увеличение значения тактовой частоты fr на содержание высших гармоник не влияет (по частоте они отодвигаются в более высокочастотную область);

- увеличивая канальность L и одновременно уменьшая параметр fT так, чтобы частота квантования - выходного напряжения и2(0 оставалась неизменной, можно уменьшить содержание высших гармоник при сохранении значения их частот.

Показано, что коэффициент использования источника питания можно увеличить на 20%, а динамические потери в КЭ можно уменьшить, если синусоидальный закон модуляции трансформировать в трапецеидальный закон с наклоном боко-

Рис. 7. Структура силовой части

2ТИН-ДШИМ+2ТФ на базе полумостовых инверторных ячеек.

вой стороны трапеции /?=7г/5. Число переключений КЭ и результирующая частота квантования выходного напряжения при этом уменьшаются, однако, качество это-

300V

0V

ЗОА

ЗОА

Рис. 8.

liiilfc rfrfltfc

щщщт 1ф=0,125мГн Сф=0,15 мкФ

Time

Осциллограммы процессов в 2ТИН-ДШИМ+2ТФ (схемы по рис. 7) напряжения до фильтра и после фильтра и ток нагрузки (фаза «А»): параметр нагрузки: 22=13,2250м; cos(|>2=0,7; 52=3000 ВА; U2= 115В;/2 = 400 Гц;/Т=12 кГц; ц=1;*г(Ш) = 7,2 %.

го напряжения несколько ухудшается, что при необходимости может быть восстановлено путем незначительного увеличения параметров ЬС фильтра.

Четвертая глава посвящена дальнейшему уточнению методики проектирования Г-образного ЬС фильтра и доведению ее до уровня, приемлемого для инженерного проектирования. За основу взяты последние работы в этом направлении. Для проверки на адекватность разработанной методики выполнена серия численных экспериментов по фильтрации наиболее известных (и наиболее эффективных) низкочастотных и высокочастотных спектров напряжений, которые показали высокую ее точность. Особенностью методики является двухэтапный алгоритм расчета фильтра:

- на 1-ом этапе определяется требуемое произведение его параметров в режиме холостого хода (XX) - ЬС. В дальнейшем при расчете произведения ЬС с учетом КЬ нагрузки найденное произведение ЬС уточняется. Поэтому в рамках понятий методов параметрической оптимизации это решение может рассматриваться как вектор начальных приближений;

- на 2-ом этапе определяется рациональное значение его волнового сопротивления с учетом нагрузки.

В качестве примера решим поставленную задачу при следующих трех критериях:

- коэффициент гармоник напряжения после фильтрации КТ(и2) < 0,05 (или 5%) для 50 Гц и КТ(и2)< 0,08 (или 8%) для 400 Гц;

- значение отношения тока через индуктивность фильтра к току нагрузки

ограничим следующим условием: = — < 1,1;

А

- а коэффициент жесткости внешней характеристики - условием

2(1)хх

Алгоритм решения задачи по 2-му этапу следующий:

1-й шаг: Зная параметры реальной активно-индуктивной нагрузки в номинальном режиме, определяем коэффициент передачи фильтра для р-ой гармоники А"п(р)я:

кп м-

;)2

+Ы1-У-Ф1

(2)

где Ф* = - коэффициент установленной мощности фильтра;

Л=1^-=,Ггт'С" = ре- - волновая проводимость; £*= —; с'= Ф'-А; V 1ф \1Ф А

= геи'А?; С'ф = ®2(1) -Сф и 1*2 = й20)-12. Индекс «н» характеризует номинальный режим. Для его определения нам необходимо задавать несколько значений Я, например А е[1+10], и определять значения Ь'ф и С'ф. Диапазон А зависит от типа спектра напряжения на входе.

2-й шаг: Используя (2) определяем коэффициент гармоник отфильтро-

ванного напряжения:

и:„

К-пип* ~ лЕ^ад™ '-^пион)2 >

гДе икР)т = Т11Р)п - относительное содержание амплитуды р-ой гармоники на

входе фильтра; К'Щр}И =

К,

П(р)я

К,

■ПС1)В

3-й шаг: Действующее значение тока через индуктивность фильтра окончательно может быть представлено в следующей, удобной для анализа форме:

Я

(р-Ф*-Л-К2)2 + (рг-Ф*

Ф')]2

Действующее значение тока нагрузки может быть записано в таком виде:

(4)

'^Пр)м)

(Р<Г

Используя (4), (5) определяем коэффициент (токовой) подгрузки:

* л

(5)

(6)

И3 (4), (5) и (6) видно, что действующие значения токов /£ и /2 и их отношение 1Ь зависят от X. Известно, что масса дросселя зависит от его интегрального показателя - энергии. Находим энергию дросселя:

„ Ч'К

4-й шаг: С учетом (2) определяем коэффициент жесткости внешней характеристики:

Кт7,1

~ г'

Щ1)и

П(1)ХХ

где -^п(1)хх ~ -

1

ф ' сф 1

_ф. - коэффициент передачи фильтра в режиме

XX для 1-ой гармоники. Видно, что и коэффициент также зависит от X. 5-й шаг: Строятся зависимости КТ(Ш) = /(X), 1Ь'=/(Х), \¥и=/(Х) и Кт0) =

/Ш - (рис. 8); затем нужно найти диапазон значений X, в котором выполняются приемлемые значения трех критериев (Кт(и2) < 5% для 50 Гц или Ктт<Ь% для400Гц, /£* <1,1 и АГ№(])е[0,8^1,2]).

■ Если один из трех критериев не приемлем, то следует изменить выше принятое значение произведения ХС в сторону его увеличения, например, на 5% и повторить все пять шагов.

■ Если все критерии приемлемы, то следует найти диапазон X и выбирать

1.4 1.2

£

0.8

0.6

в нем значение А, соответствующее минимальному значению энергии WL. При одном и том же произведении LC это значение Я дает наименьшую массу фильтра.

Для удобства пользования разработана программа автоматизированного расчета (ПАР) фильтра.

Для проверки методики (в том числе и в варианте ПАР) проведено ИКМ, которое показало высокую сходимость результатов (расхождение менее 2%).

На основе проведенного ИКМ выявлены закономерности и сформулированы рекомендации по проектированию фильтра:

а) Для низкочастотных спектров при переходе от режима XX к номинальному режиму при условии X = Дот коэффициент гармоник выходного (отфильт-рового) напряжения Кцц2) увеличивается на 25%, а уровень выходного напряжения понижается примерно на

15%; для высоко- Рис. 9. Зависимое™ Кпи2) =/().) , /L*-/(M.**i> =/(*•) и частотных спектров параметр ^ дая напряжения о формой «пьедестал» при

Кгт несколько 1С =2097 мГн'мкфи C0S<P = °>8'

снижается (на 2%), а уровень выходного напряжения практически не меняется;

б) Для низкочастотных спектров условие выполнения всех трех критериев приводит к некоторому ограничению рационального диапазона изменения произведения LC. Например, для выходного напряжения (с формой «пьедестал») с /г = 50 Гц все три критерия выполняется в диапазоне 2100мГн-мкФ < 1С <3300 мГн-мкФ;

в) Для высокочастотных спектров такого ограничения (по п. б) нет. Например, при использовании ДШИМ (с/2 = 50 Гц, fUp = 3000Гц, cos<p=0,8 и ¿¡2=3000 В А) все три критерия выполняется, если произведение LC > 51мГн-мкФ; а при использовании ОШИМ (с fi> = 50 Тц,/ир = 3000Гц, coscp=0,8 и ¿>2=3000 ВА) все три критерия выполняется, если произведение LC> 32 мГн-мкФ;

г) Для низкочастотных спектров с увеличением параметра X коэффициент гармоник Ky(U2) уменьшается, а коэффициент жесткости внешней характеристики К^ц улучшается, приближаясь к 1; для высокочастотных спек-

t 2; 1.8- , 1.8-

1.6- 1.6-

1.4-~ 1.20.8- 1.4, 1-20.8-

0.6- 0.6-

0.4- 0.4-

0.2- 0.2-

• 0- 0-

тров при Я > Ло„г параметр Я на качество фильтрации и на коэффициент жесткости внешней характеристики .^„практически не влияет;

ж) С ростом соэф при выбранных значениях параметров фильтра токовая подгрузка преобразователя увеличивается, а качество фильтрации улучшается. Влияние параметра соБср на коэффициент жесткости внешней характеристики следующее:

- при использовании высокочастотных спектров практически не заметно;

- а при использовании низкочастотных спектров его нужно учитывать;

з) Для всех спектров напряжения токовая подгрузка преобразователя увеличивается с ростом параметра Я.

На основании результатов исследования, полученных на основе ПАР, даны рекомендации по рациональным алгоритмом формирования выходного напряжения и по выбору значений параметров фильтров.

В пятой главе приведены результаты ИКМ варианта системы ПСПЧ, приближенной к требованиям применения ее в авиационной электротехнике.

В этой сфере по-прежнему является актуальным создание МЭГС-2 типа «ПСПЧ» с улучшенными показателями качества, удовлетворяющих современным требованиям авиационного применения и, прежде всего, с приемлемым удельным массовым показателем # [кг/кВА]. ___________________атву___________________ хин

По мере развития электротехники появляются новые технические решения, новая, более совершенная элементная база, и создаются предпосылки для разработки генерирующих систем новых поколений.

В работе исследуется один относительно новый вариант решения этой задачи на основе преобразователя частоты (ПЧ) со звеном постоянного тока, выполненного в данном случае в виде АТВУ со сглаживающим фильтром на его выходе и ТИН по мостовой схеме с выходным фильтром переменного тока (рис. 9).

При применении ТИН в авиационной электротехнике одним из требований является возможность подключения к нему не только симметричных трехфазных нагрузок мощностью £Г2(1)=352(1)Ф, но и однофазных нагрузок мощностью 5°2(1)~ 0,1552(1)®, что и отражено в условном техническом задании (здесь 5*2(1)® - мощность одной фазы трехфазной нагрузки). Данная система генерирования в конкретном применении предназначена для использования ее при создании локальной сети электропитания в перспективном проекте «Полностью электрический самолет», где для одной из его локальных генерирующих систем не ставится условие гальванической развязки генератора

Рис. 9. Структурная схема МЭГС-2 типа «ПСПЧ».

от потребителя и не требуется «заземление» (на корпус летательного аппарата).

Разработана ИК-модель системы ПСПЧ, выполненной в виде последовательно соединенных АТВУ-18 с выходным сглаживающим фильтром и ТИН с выходным фильтром и с несимметричной ЛЬ нагрузкой. На основе исследования системы показана ее работоспособность и получены необходимые количественные взаимосвязи, необходимых для сопоставительных оценок вариантов и для проектирования. В частности, показано, что габаритная мощность выпрямительного звена - £атву-18, выполненного в виде АТВУ-18, составляет 35% от активной мощности на его выходе -Рм и 24,5% от полной мощности нагрузки ПСПЧ (5Атву-18 =0,35-Б2• соБсрг^ = 0,245-5,2). Таким образом, целесообразность использования в системе ПСПЧ АТВУ-18 обоснована одновременным решением следующих задач:

- возможностью согласования уровней напряжений генератора и нагрузки;

- возможностью улучшения электромагнитной совместимости (ЭМС) системы ПСПЧ с генератором (за счет уменьшения искажения его токов до 11%);

- решением двух выше указных задач с помощью относительно небольших ресурсных затрат.

Предложен простой способ обеспечения нечувствительности ТИН к несимметричной нагрузке за счет введения конденсаторного делителя напряжения и подключения однофазной нагрузки между его средней точкой и одним из выходных фазных выводов ТИН.

На основе серии численных экспериментов показано выполнение системой ПСПЧ возложенных на нее функциональных задач в диапазоне изменения частоты генератора от 300 Гц до 500 Гц.

На основе ИКМ установлено влияние параметров сглаживающего ЬС фильтра (на выходе АТВУ-18) на входные и выходные характеристики ПЧПТ и даны рекомендации по их выбору.

С целью определения возможности «заземления» всех звеньев системы

г_г кто„, =11,3%^

'—i г

Рис. 10. Осциллограммы процессов в ПСПЧ по рис. 9: а) - напряжения и токи генератора; напряжений до и после фильтра и токи нагрузки: б) - трехфазная нагрузка; в) - однофазная нагрузка. Параметры: Г-образного ЬС фильтра трехфазной нагрузки: ¿=0,118мГн, С= 1,94 мкФ; ЬС фильтра однофазной нагрузки: ¿=0,175 мГн, С=3,12 мкФ; параметры Г-образного сглаживающего ЬС фильтра: Ь\= ¿2=3мГн, С1=С2=100 мкФ.

ПСПЧ предварительно исследованы теоретически возможные варианты их «зануления» и найден наиболее рациональный вариант решения этой задачи.

Заключение

1. Предложена классификация машинно-электронных генерирующих систем (МЭГС), применяемых на автономных объектах. Сформированы общие для рассматриваемых типов МЭГС проблемы, которые необходимо решать при их системном проектировании.

2. Одной из целей работы является выбор структурно-алгоритмического облика объекта, наиболее полно отвечающего замыслу настоящей работы. В качестве такого объекта исследования выбрана система ПСПЧ (переменная скорость - постоянная частота). Укрупнено система включает в себя электрический генератор (ЭГ) и статический преобразователь частоты - СПЧ, который может выполняться в различных вариантах. В данном случае СПЧ выполнен в виде трех последовательно включенных звеньев - выпрямительного, инверторного и выходного фильтра, образующих структуру преобразователя частоты со звеном постоянного тока - ПЧПТ. Замысел работы заключается в исследовании свойств всех звеньев системы и системы целом и создание на этой основе проблемно-ориентированного подхода для разработки методики системного ее проектирования.

3. При разработке технического предложения, удовлетворяющего требованиям и условиям применения в авиационной электротехнике решен следующий комплекс задач по информационно-методическому обеспечению системного проектирования:

3-1. Показано, что в случае использования в структуре ПЧПТ, наиболее простой мостовой схемы трехфазного инвертора напряжения (ТИН) с ШИМ по синусоидальному закону для получения выходного трехфазного напряжения системы с заданными параметрами напряжения (115/200 В) стабильной частоты (400 Гц) при таких же значениях параметров напряжения ЭГ, требуется установка устройства для повышения напряжения на 35%.

3-2. Для повышения напряжения ЭГ до требуемого уровня и с целью одновременного улучшения электромагнитной совместимости ПЧПТ с ЭГ предложено использовать автотрансформаторно-выпрямительное устройство - АТВУ-18 с пульсностью выпрямленного напряжения /и1Э=18, имеющего габаритную мощность автотрансформатора (АТУ), равную Р^агуг 0,28\Р2(а) от активной мощности нагрузки системы ПСПЧ.

3-3. На примере совместной работы ЭГ и трансформаторно-выпрямительного устройства ТВУ-12 с помощью ИКМ показана возможность и необходимость учета при системном проектировании индуктивно-стей рассеяния обмоток генерирующей сети (и трансформаторных узлов).

3-4. На основе исследования чувствительности показателей качества выходного напряжения ТИН к несимметрии трехфазной нагрузки предложено решение, обеспечивающее устранение этого недостатка, которое заключается во введении для однофазной нагрузки конденсаторного делителя напряжения по цепи питания ТИН и индивидуального фильтра.

3-5. На основе ИКМ показано, что коэффициент использования источника питания можно увеличить на 20%, а динамические потери в ключах ТИН с ШИМ на столько же уменьшить, если синусоидальный закон модуляции трансформировать в трапецеидальный закон с наклоном боковой стороны трапеции р=п/5. Данный выигрыш, однако, покупается некоторым увеличением искажений выходного напряжения, что при необходимости может быть восстановлено незначительным увеличением параметров ЬС фильтра.

4. Разработана уточненная системно-ориентированная методика проектирования Г-образного ЬС фильтра переменного тока, учитывающая два показателя качества - жесткость внешней характеристики и токовую подгрузку ключей ТИН и основанная на выборе рационального значения его волновой проводимости. Показана работоспособность методики во всем диапазоне изменения тока нагрузки и при различных спектрах фильтруемого напряжения (в том числе при использовании ее для проектирования сглаживающих фильтров). Ее адекватность (на уровне 2%) подтверждена путем ИКМ. Для упрощения пользования разработана и апробирована методика автоматизированного расчета параметров фильтра.

5. Решен ряд вопросов по структурно-алгоритмическому синтезу ТИН с многоканальным преобразованием (МКП), а именно:

- для 2-х канальной структуры ТИН в 2-х трансформаторном исполнении (2-ТИН-27У) предложен алгоритм управления с двухполярной ШИМ (ДТТТИМ) в каналах, обеспечивающий снижение массы выходного ЬС фильтра в 4 раза по сравнению с традиционным вариантом;

- на основе ИКМ подтверждена адекватность известных модельных описаний спектров напряжения однофазных и трехфазных инверторов: а) с од-нополярной ШИМ (ОШИМ) - в вариантах с МКП; б) с двухполярной ШИМ (ДШИМ) - в одноканальном варианте;

- для инверторов с МКП (т.е. при Ь> 1) и с ДТТТИМ напряжением в каналах (из-за отсутствия модельного его описания) для исследования спектров использован способ ИКМ на «сигнальном уровне», основанный на формировании исследуемых сигналов с помощью логических функций;

- изложена физическая сущность работы трансфильтров, используемых в инверторах с МКП для суммирования токов каналов, что позволило сформулировать рекомендации по их проектированию.

6. На основе полученных результатов исследования имитационных компьютерных моделей (ИК-моделей) всех силовых звеньев структуры ГГЧПТ синтезирована (с общепринятыми допущениями) ИК-модель системы ПСПЧ, и на ее основе проведен объем исследований по определению их взаимодействия, необходимый для системного проектирования. В частности, на основе серии численных экспериментов:

- показано выполнение системой ПСПЧ возложенных на нее (в соответствии с ТЗ) функциональных задач при несимметричной 3-х фазной нагрузке в диапазоне изменения частоты генератора от 300 Гц до 500 Гц;

- получены рекомендации по выбору параметров сглаживающего ЬС фильтра на выходе АТВУ-18;

- выявлены (в количественном выражении) возможности уменьшения установленной мощности 3-х фазного выходного Г-образного ЬС фильтра за счет повышения (тактовой) частоты переключения ключей ТИН;

- установлена возможность «зануления» генератора, средней точки конденсаторного делителя напряжения и нулевых точек нагрузок.

7. Таким образом, в работе решен комплекс взаимосвязанных между собой задач по структурно-алгоритмическому и параметрическому синтезу конкретного варианта МЭГС типа ПСПЧ, создающий информационно-методическое обеспечение для ее системного проектирования. Рассмотренная вариантность возможных решений создает условия для их выбора при проектировании подобного рода систем с иными постановками задач.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Мыцык Г.С., Пью Мьинт Тхейн, Хлаинг Мин У. Модификация упрощенной методики расчета Г-образного ЬС фильтра. - М. Л.: Практическая силовая электроника, № 45 2012. - С. 18+26.

2. Мыцык Г.С., Пью Мьинт Тхейн, Хлаинг У / О влиянии структурно-алгоритмической организации инверторов напряжения на их показатели качества. Практическая силовая электроника, 2012, №48. -С.25-33.

3. Патент на полезную модель 1Ш № 122 213 Ш, МПК Н02 М 7/00. Ав-тотрансформаторно-выпрямительное устройство /Авторы: Мыцык Г.С., Пью Мьинт Тхейн. Опубл. 20.11.2012г. в Бюл.№32.

4. Пью Мьинт Тхейн, Хлаинг Мин У, Ян Найнг Мьинт. Вопросы проектирования трехфазных инверторов напряжения централизованного типа с многоканальным преобразующим трактом. - М. Л.: XII Всемирный электротехнический конгресс, 2011. - С. 102+103.

5. Г.С. Мыцык, Пью Мьинт Тхейн, Хлаинг Мин У. Модификация методики упрощенного расчета Г-образного ЬС фильтра. - М. Л.: Восемнадцатая международная научно-техническая конференция студен-тов и аспирантов, Том 2,2012. - С. 264+265.

6. Пью Мьинт Тхейн, Хлаинг У, Мыцык Г.С. О результатах исследования одного варианта автономной системы Электроснабжения типа «ПСПЧ» // Девятнадцатая Международная н/т конф. студентов и аспи-рантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: тез. докл. в 4 т. Т.2. - М.: Изд. дом МЭИ, 2013,-С.199.

7. Пью Мьинт Тхейн, Мыцык Г.С. Об энергоэффективности одного алгоритма управления трехфазными инверторами напряжения с IIТИМ // Девятнадцатая Международная н/т конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: тез. докл. в 4 т. Т.2. - М.: Изд. дом МЭИ, 2013.-С.198.

Подписано в печать^ ОЬ'Мг Зак. Полиграфический центр НИУ МЭИ Красноказарменная ул., д. 13

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«МЭИ»

На правах рукописи

04201357978

ПЬЮ МЬИНТ ТХЕЙН

СОЗДАНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ СИСТЕМНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТАТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ В СОСТАВЕ МАШИННО-ЭЛЕКТРОННЫХ ГЕНЕРИРУЮЩИХ СИСТЕМ ДЛЯ МАЛОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И АВТОНОМНЫХ ОБЪЕКТОВ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Научный руководитель: Профессор, д.т.н. Мыцык Г.С.

МОСКВА 2013

Содержание

Перечень аббревиатур....................................................................................................................................................................9

Введение......................................................................................................................................................................................................................12

Глава 1. Машинно-электронные генерирующие системы автономных объектов..................................................................................................................................................................16

1.1. Типы систем ПСПЧ..................................................................................................................................................16

1.2. Типы машинно-электронных генерирующих систем - МЭГС... 17

1.2.1. МЭГС 1-го вида (МЭГС-1)....................................................................................................17

1.2.2. МЭГС 2-го вида (МЭГС-2)....................................................................................................19

1.3. Система ПСПЧ на базе САГ (МЭГС-3)..............................................................................21

1.4. Цель настоящей работы....................................................................................................................................22

Глава 2. Анализ выпрямительных устройств с многоканальным

преобразованием..........................................................................................................................................................24

2.1. О необходимости использования выпрямительных устройств в разрабатываемой машинно-электронной системе МЭГС-2............24

2.2. Трехфазное трансформаторно-выпрямительное устройство с двухканальным преобразующим трактом (ТВУ-12)........................................25

2.2.1. О схеме ТВУ-12..........................................................................................................................................25

2.2.2. Результаты ИКМ....................................................................................................................................27

2.2.2.1. Выбор индуктивностей обмоток трансформатора, используемых при ИКМ..........................................27

2.2.2.2. Определение габаритной мощности трансформатора ........................................................................................................33

2.2.2.3. Проверка результатов ИКМ на основе энергетического баланса........................................................................33

2.2.2.4. Определение потерь в выпрямительном звене... 34 Выводы по п.2.2................................................................................................................................................................34

2.3. Новая структурная модификация ТВУ-12 - двухтрансформа-

торный вариант 12-пульсного выпрямителя (2ТВУ-12)......... 35

2.3.1. О схеме 2ТВУ-12................................................................... 35

2.3.2. Результаты ИКМ................................................................... 35

2.3.2.1. Выбор индуктивностей обмоток трансформатора......................................................... 35

2.3.2.2. Определение габаритной мощности трансформаторов ..................................................... 37

2.3.2.3. Проверка результатов ИКМ на основе энергетического баланса....................................... 39

2.3.2.4. Определение потерь в выпрямительном звене.. 39 Выводы по п.2.3.............................................................................. 40

2.4 Синтез и анализ автотрансформаторно-выпрямительных устройств с пульсностью выпрямленного напряжения Ш1Э=18 (АТВУ-18)....................................................................................... 40

2.4.1. АТВУ-18УС без трансфильтров.......................................... 41

2.4.1.1. Определение габаритной мощности А ТУ на основе результатов ИКМ.......................................... 47

2.4.1.2. Проверка результатов ИКМ на основе энергетического баланса................................................. 48

2.4.1.3. Определение потерь в выпрямительном звене .. 49

2.4.2. Исследование новой модификации АТВУ-18УС с трансфильтрами - АТВУ-18УС+2хЗТФ..................................... 50

2.4.2.1. Определение габаритной мощности автотрансформатора.................................................... 51

2.4.2.2. Проверка результатов ИКМ на основе энергетического баланса................................................. 53

2.4.2.3. Определение потерь в выпрямительном звене .. 53 Выводы по п.2.4.1 и п.2.4.2 ........................................................... 54

2.4.3. Исследование улучшенной модификации АТВУ-18УС

с трансфильтрами - АТВУ-18УНСТ+2хЗТФ............... 54

2.4.3.1. Определение габаритной мощности автотрансформатора................................................... 57

2.4.3.2. Проверка результатов ИКМ по критерию энергетического баланса.............................................. 59

2.4.3.3. Определение потерь в выпрямительном звене .. 60 Выводы по п.2.4.2 и п.2.4.3 ........................................................... 61

Выводы по главе 2...................................................................... 61

Глава 3. Синтез и анализ многоканальных преобразователей постоянного напряжения в переменное - инверторов напряжения 63

3.1. Трехфазный двухканальный инвертор напряжения с суммированием выходных напряжений - 2ТУ-ФК-ТИН.......................... 64

3.1.1. Результаты ИКМ................................................................... 66

3.1.1.1. О выборе индуктивностей обмоток трансформатора, используемых при ИКМ........................ 66

3.1.1.2. Определение габаритной мощности трансформаторов............................................................ 68

3.1.1.3. Масса фильтра....................................................... 71

3.1.2. ТИН с двухканальным преобразующим трактом с трансформаторным выходом и формированием выходного напряжения по алгоритму ДТТТИМ...................................... 71

Выводы по п.3.1 .............................................................. 75

3.2. Исследование математических моделей сигналов с многофазной широтно-импульсной модуляцией (МТУТИМ)...................... 76

3.2.1. Исследование модельного описания сигналов с многофазной (многоканальной) однополярной ШИМ (МО-ШИМ)................................................................... 77

3.2.1.1. Проверка модельного описания на адекватность........................................................................ 78

3.2.1.2. Результаты исследования сигналов с МОШИМ на основе их моделирования в среде OrCAD

16.5 {Schematics).................................................... 81

Выводы по п.3.2.1................................................................................................82

3.2.2. Исследование модельного описания сигналов с двухпо-

лярной ШИМ (ДШИМ)................................................................................82

Выводы по п.3.2.2................................................................................................84

3.3 Способ ИКМ сигналов с ШИМ (и с МШИМ) на сигнальном

уровне..............................................................................................................................................................................................84

3.3.1. Детальный алгоритм исследования сигналов с МДШИМ..............................................................................................................................................................86

3.3.2. Детальный алгоритм исследования сигналов с МОШИМ 89

Выводы по п.3.3......................................................................................................................91

3.4. ТИН с ДШИМ с суммированием токов каналов с помощью

трансфильтра......................................................................................................................................................................91

3.4.1. Алгоритм управления ключевыми элементами ТИН............93

3.4.2. Об энергоэффективности одного алгоритма управления трехфазными инверторами напряжения с ШИМ........................95

Выводы по п.3.4.2..................................................................................................98

3.4.3. Поведение ¿С фильтра в динамике..........................................................98

3.4.4. Результаты исследования ТИН с увеличенной канально-стью................................................................................................................................................................................101

Выводы по главе 3........................................................................................................................................................................104

Глава 4. Системно-ориентированные проектные модели Г-образ-

ного ЬС фильтра....................................................................................................................................106

4.1. К постановке задачи................................................................................................................................................106

4.2. Режим холостого хода (XX) Г-образного ЬС фильтра................................106

4.2.1. Коэффициент передачи фильтра..................................................................................107

4.2.2. Коэффициент гармоник выходного напряжения после

его фильтрации............................................................................................................................................108

4.3. Расчет Г-образного ЬС фильтра в номинальном режиме работы преобразователя..................................................................................................................................................109

4.3.1. Коэффициент передачи фильтра......................................... 109

4.3.2. Коэффициент гармоник выходного напряжения после

его фильтрации...................................................................... 110

4.3.3. Коэффициент жесткости внешней характеристики фильтра................................................................................... 111

4.3.4. Коэффициент токовой подгрузки преобразователя......... 111

4.3.5. Выбор рационального соотношения между параметрами ¿иСфильтра......................................................................... 112

4.4. Методика упрощенного расчета Г-образного LC фильтра........ 114

4.4.1. Алгоритм расчета произведения LC.................................... 114

4.4.2. Определение значений сомножителей L и С при найденном произведении LC в режиме номинальной нагрузки.....................................................................................

4.5. Методика автоматизированного упрощенного расчета Г-образного LC фильтра................................................................. 119

4.6. Исследование прохождения через Г-образный LC фильтр сигналов с формой «пьедестал»......................................................... 122

4.7. Исследование прохождения через Г-образный LC фильтр сигналов с двухполярной ШИМ - ДТТТИМ......................................... 131

4.8. Исследование прохождения через Г-образный LC фильтр сигналов с однополярной ШИМ - ОШИМ........................................ 137

4.9. Рекомендации по рациональным алгоритмом формирования выходного напряжения и по выбору значений параметров фильтров........................................................................................... 144

4.10. Определение массы дросселя индуктивности и конденсатора фильтра............................................................................................. 145

4.10.1. Определение массы дросселей индуктивности фильтра... 146

4.10.2. Определение массы конденсатора фильтра........................ 146

4.11. Фильтрация выпрямленного напряжения с пульсациями........... 149

4.11.1. Методика упрощенного расчета Г-образного сглаживающего LС фильтра............................................................. 150

4.11.2. Пример фильтрации выпрямленного напряжения с т\3=6..............................................................................................................................................................................150

4.11.3. Апробация методики расчета сглаживающего Г-образ-ного LC фильтра..........................................................................................152

Выводы по п.4.11 ..................................................................................................................153

Выводы по главе 4........................................................................................................................................................................153

Глава 5. Исследование одного варианта системы ПСПЧ авиационного применения..........................................................................................................................................156

5.1. Структурная схема генераторной установки типа ПСПЧ..............156

5.2. Информация к структурно-алгоритмическому синтезу ПСПЧ 156

5.2.1. Исходные данные для ИКМ (условное ТЗ)............................................157

5.2.2. О соотношении между напряжениями на входе и на выходе системы ПСПЧ........................................................................................................................157

5.2.3. Параметрические соотношения между выходом и входом ТИН................................................................................................................................................................158

5.2.4. Краткая проектная информация по CAO АТВУ-18..................159

5.2.5. Проектная информация для CAO ТИН..........................................................160

5.3. Результаты системного исследования структуры ПСПЧ..................165

5.3.1. Определение габаритной мощности АТВУ-18............................167

5.3.2. Влияние частоты генератора..............................................................................................170

5.3.3. Влияние значения индуктивности сглаживающего фильтра....................................................................................................................................................................171

5.3.4. Влияние значения емкости сглаживающего фильтра............171

Выводы по главе 5......................................................................................................................................................................172

Заключение............................................................................................................................................................................................................174

Приложения........................................................................................................................................................................................................179

Приложения П2..................................................................................................................................................................................179

Приложения ПЗ..................................................................................................................................................................................184

ПЗ -1. Программа автоматизированного расчета «DPWM»..................188

ПЗ-2. Программа автоматизированного расчета «OPWM»..................190

ПЗ-З. Физика процессов в двухобмоточном трансфильтре..................205

ПЗ-4. Определение габаритной мощности ТФ в ТИН............................209

Приложения П4..................................................................................................................................................................................213

Приложения П5..................................................................................................................................................................................221

П5-1. Влияние «зануления» на рабочие процесса........................................223

П5.1.1. Первый вариант «зануления»......................................................223

П5.1.2. Второй вариант «зануления»........................................................225

П5.1.3. Третий вариант «зануления»........................................................227

Выводы по П5-1........................................................................................................................229

Литература..............................................................................................................................................................................................................230

Перечень аббревиатур

2ТУ-ФК-ТИН -двухтрансформаторный фазокомпенсационный ТИН; 2ТВУ-12 - двухтрансформаторный вариант 12-пульсного трансформаторно-выпрямительного устройства;

ЬТИН-ДШИМ - Ь канальный ТИН с ДШИМ напряжения в каналах; ЬТИН-ДШИМ+ЬТФ - то же, что и ЬТИН-ДШИМ, но с Ь обмоточным трансфильтром в выходном цепи;

ЬТИН-ОШИМ - Ь канальный ТИН с ОШИМ напряжения в каналах;

ЬТИН-ОШИМ+ЬТФ - то же, что и ЬТИН-ОШИМ, но с Ь обмоточным

трансфильтром в выходном цепи;

АМ - асинхронная машина;

АМФР - асинхронная машина с фазным ротором;

АО - автономный объект;

АПК - алгоритм переключения ключей;

АСЭС - автономная система электроснабжения;

АТУ - автотрансформатор;

АТВУ - автотрансформаторно-выпрямительное устройство; АТВУ-18УС - автотрансформаторно- выпрямительное устройство с пульс-ностью выпрямленного напряжения гп\Э =18 с базовой обмотки по схеме симметричная «звезда» (без трансфильтров, без коррекции выходного напряжения) ;

АТВУ-18УС+2хЗТФ - то же, что и АТВУ-18УС, но с двумя 3-х обмоточными трансфильтрами в цепи постоянного тока;

АТВУ-18УНС|+2x3ТФ - то же, что и АТВУ-18, но с базовой обмотки по

схеме несимметричная «звезда», с повышением выходного напряжения и с

двумя 3-х обмоточными трансфильтрами в цепи постоянного тока;

ВГ - вентильный генератор;

ВСМ - вспомогательная синхронная машина;

ВУ - выпрямительное устройство;

ГНП - гармоники нулевой последовательности;

ДШИМ - двухполярная ШИМ;

ИКМ - имитационное компьютерное моделирование; ИК-модель - имитационная компьютерная модель; ИМЭ - источник механической энергии; ИС - инверторная структура; ИЯ- инверторная ячейка; КЗ - короткое замыкание; КЭ - ключевой элемент; ЛА - летательный аппарат;

МДТТТИМ - многофазная (многоканальная) двухполярная ШИМ; МИВ - малоискажающий выпрямитель; МКП - многоканальное преобразование; МО - модельное описание;

МОШИМ - многофазная (многоканальная) однополярная ШИМ;

МШИМ - многофазная широтно-импульсная модуляция;

МЭГС - машинно-электронная генерирующая система;

НПЧ - непосредственный преобразователь частоты;

ОИН - однофазный инвертор напряжения;

ОШИМ - однополярная ШИМ;

ПАР - программа автоматизированного расчета;

ПМИЯ - инверторная ячейка по полумостовой схеме;

ППО - привод постоянных оборотов;

ПСПЧ - переменная скорость- постоянная частота;

ПУ - преобразующее устройство;

ГТЧ - преобразователь частоты;

ПЧПТ - преобразователь частоты со звеном постоянного тока;

САГ - синхронизированный асинхронный генератор;

С АО - структурно-алгоритмическая организация;

СГ - синхронный генератор;

СПЧ - статический преобразователь частоты;

СУ - системы управления; ТУ - трансформатор;

ТВУ - трансформаторно-выпрямительное устройство;

ТЗ - техническое задание;

ТИН - трехфазный инвертор напряжения;

ТФ - трансфильтр;

ФК - фазовая компенсация (в фазокомпенсационном ТИН); XX - холостой ход;

ШИМ - широтно-импульсная модуляция;

ЭГ - электрический генератор;

ЭМС - электромагнитная совместимость;

ЭМУ - электромагнитный узел;

ЭП - энергетический поток;

ЭТУ - электротехническое устройство;

ЭЭС - электронные энергетические системы;

ЭЭф - энергоэффективность.

ВВЕДЕНИЕ

Технический прогресс характеризуется периодической сменой поколений техники. Данное развитие при этом определяется тем, что системы, устройства и составляющие их компоненты постоянно совершенствуются, а их жизненный цикл неуклонно сокращается. Этот процесс сегодня особенно заметен, в частности, в сферах радиосвязи и телекоммуникаций, а также в областях информационной и силовой электроники.

Наряду с этим совершенствуются методы проектирования и используемые для этого средства. Среди последних особенно следует выд�